諧波背景下電能計量系統(tǒng)的誤差分析

廣西電網有限責任公司市場營銷部 何 藝

在電力系統(tǒng)運行中，諧波的產生是不可避免的，且其會對電能采集、計量結果產生影響，導致誤差問題的產生。電能表是電力系統(tǒng)電能計量基本設備，對于供電、用電雙方而言，電能計量結果是經濟結算的重要依據(jù)，因此加強電能計量系統(tǒng)誤差控制具有重要意義。

1 諧波概述

諧波概念。電力系統(tǒng)中非線性負荷的運用越來越多，難免產生大量的諧波，以致于系統(tǒng)電壓、電流波形產生嚴重畸變?；兊碾妷骸㈦娏鞯拇嬖?，也將直接導致電能質量下降，給電能劑量帶來諸多影響。諧波（harmonic wave）嚴格意義上指的是電流中含有的頻率為基波整數(shù)倍的電量，通常對周期性非正弦電量進行傅里葉級數(shù)分解，其余大于基波頻率的電流產生的電量。廣義上交流電網有效分量是工頻單一頻率，由此與工頻頻率不同成分均可稱為諧波，可分為分數(shù)諧波、間諧波、次諧波等[1]。諧波產生原因有正弦電壓加壓于非線性負載（非線性負載指UPS、開關電源、整流器、變頻器、逆變器等）、基波電流發(fā)生畸變。

諧波危害。若不考慮外部影響，電網中的供電電壓頻率和幅值均為固定不變的。根據(jù)我國工程的相關資料顯示，當電力系統(tǒng)中出現(xiàn)高次諧波時，即使當前系統(tǒng)為穩(wěn)定狀態(tài)且負載均衡，也會因中線中有電流帶入造成運行故障。諧波的出現(xiàn)對于電力系統(tǒng)的負面影響主要體現(xiàn)在：對電網環(huán)境的破壞。電流、電壓等參數(shù)的突然變化會引發(fā)電力設備局部發(fā)熱等問題，也對電力系統(tǒng)的使用周期造成影響，不利于系統(tǒng)的安全運行；不利于電力設備的安全運行。諧波的出現(xiàn)會引發(fā)電擊諧振等現(xiàn)象，影響電力設備的精確性，不利于儀器的精準測量，電力數(shù)據(jù)誤差大也會造成系統(tǒng)管理混亂[2]；影響周邊區(qū)域內通信線路的穩(wěn)定運行。突出表現(xiàn)為通信質量下降，甚至引發(fā)通信設備故障、損壞，同時也不利于生物的生存。

2 諧波對電能計量的誤差影響

電能表是電能計量基本設備，在電力系統(tǒng)中運用廣泛。電能計量表主要基于兩大原理：一是感應式，主要是根據(jù)工頻正弦波設計，基本不考慮諧波影響；二是電子式，通過濾波計量基波功率。諧波對電能計量的誤差影響具體分析如下。

2.1 感應式電能表

感應型電能表測量功率，主要是以電流、電壓在表計線圈中的正弦交變磁場為依據(jù)，轉動的鋁盤可感應不同相位空間渦流，并由此帶動計數(shù)器走度。傳統(tǒng)感應型電能表是基于工頻正弦波條件下進行準確度檢驗，在計量中并未考慮直流、諧波等因素。然而在實際運行中，電能表所處電力系統(tǒng)不可能只有工頻正弦波，支流分量可能導致電能表內電磁線圈鐵芯飽和，線圈磁場產生畸變造成鋁盤轉動力矩受到制動，計數(shù)失準；鐵芯中，高次諧波會產生高頻磁通，直接干擾基波產生的工作磁通，以致于鋁盤高頻微顫，計量誤差增大[3]。

感應式電能儀表整體結構簡單、性能穩(wěn)定、安全性高、成本低，同時其使用便捷、使用年限較長，性價比較高，是電力公司中較為普遍的電能計度儀表類型。該設備在頻率略窄的頻帶中應用效果最佳，但隨著電力系統(tǒng)運行環(huán)境的日益復雜，外部的負面影響因素增多，供電網內波形畸變出現(xiàn)頻率提高，造成電能儀表的測量精度降低，因電能計量誤差大造成了電力公司巨大的經濟損失，甚至損害了用戶的利益。

2.2 電子式電能表

電子式電能表基本結構如圖1，其中乘法器是關鍵器件，常見的為模擬乘法器和數(shù)字乘法器兩種，數(shù)字乘法器可繼續(xù)分為：硬件乘法器。由移位寄存器、加法器組成，通過時序控制，根據(jù)乘法（0或者1）決定累加和右移，運算速度較快，需要額外的硬件電路；軟件乘法器。通過A/D 轉換器轉換電流、電壓數(shù)據(jù)，利用乘法指令實現(xiàn)數(shù)字量相乘，運算速度相對較慢，可使用CPU 自帶的乘法器、加法器，有利于節(jié)約硬件成本。

圖1 電子式電能表基本結構圖

目前技術條件下電子式電能表得到了普遍運用，電壓、電流分別施加于采樣元件上，兩大參數(shù)同步采樣并同時輸入乘法器。在實際運行中，負載電壓、電流均在濾波處理后方輸入采樣元件，乘法器計算的是工頻正弦電壓、電流信號。由此，傳統(tǒng)電子式電能表未考慮諧波分量所致的誤差。

現(xiàn)階段我國電能計量中主要采用電子式電能表，與傳統(tǒng)的感應式電能表相比，由于電能表內未設置轉盤，以微電子電路為基礎，電能計量更加精確、可靠[4]。下文主要圍繞電子式電能表對誤差自動檢測與修正展開分析，諧波未消除的情況下電能計量無法達理想狀態(tài)?；诖耍纳浦C波對于表計精確度的影響具有必要性：其一，這是供電企業(yè)遵循市場經濟規(guī)律的必要措施；其二，實現(xiàn)電力費用的科學管理，合理保護客戶利益。

3 諧波背景下電能計量系統(tǒng)的誤差控制建議

基于諧波背景下，必須精確分析出計量裝置安裝處的諧波并進行實時計算，主要采用誤差自動檢測方法，通過不斷提高誤差檢測準確率獲得良好的誤差控制效果[5]。本文針對此提出一種電能計量裝置運行誤差自動檢測方法，具體分析如下。

3.1 誤差自動檢測方法

針對諧波來源設監(jiān)測點，獲取電能計量裝置運行誤差數(shù)據(jù)。為提高電能計量系統(tǒng)運行誤差檢測精確性，采用小波變換法進行數(shù)據(jù)分析。小波基函數(shù)ψa,b計算公式如下：

式中a 為連續(xù)小波變換尺度，a 值越大則對應頻率越高；t 為平移參數(shù)；b 為初始值。a、t 限定在一定離散點上取值，離散小波變換函數(shù)計算公式式中j、k 為a、t 所限定的離散點。通過上述兩個公式可得函數(shù)f(t)的離散小波變換Cj,k計算公式：基于上述過程完成數(shù)據(jù)小波變換，實現(xiàn)監(jiān)測點諧波狀況、諧波影響下電能計量裝置運行誤差檢測樣本的高質量數(shù)據(jù)采集。

誤差數(shù)據(jù)自動處理。將獲取誤差數(shù)據(jù)經由GPRS 網絡輸入處理中心，獲取誤差自動監(jiān)測結果；監(jiān)測結果傳輸至顯示器/客戶端，供相關人員查看。

3.2 仿真實驗

本文以某諧波條件下電能計量裝置運行情況為實驗環(huán)境，采用MATLAB 仿真平臺模擬，具體測試環(huán)境如下：諧波輸出。輸出裝置為濾波電感濾除逆變器，電感值（mH）5、50、100；變壓器。容量(MVA)250/250/60，電壓組合(kV)525/230/35，短路阻抗（高-中14.51%、高-低53.32%、中-低33.59%），負載損耗（高-中345.58kW、高-低76.13kW、中-低72.32kW），空載損耗65.02kW，空載電流0.036%；電機。額定工作電壓220V，額定工作頻率50Hz，電機參數(shù)為Simulink 設定的默認值，通斷占空比55%。

數(shù)據(jù)準備。隨機選取10個樣本測試運行狀況，其檢測效率與檢測準確率具體測試結果分別為：91%、93%；94%、90%；87%、87%；90%、80% ；89%、85% ；95%、93% ；91%、83% ；85%、80%；93%、95%；87%、84%。

結果分析：與傳統(tǒng)自動檢測方法相比，本實驗中采取的誤差檢測方法精確度高于80%，且檢測時間相對較短，可實際運用中操作性較強，具有較大的推廣運用價值；完成誤差檢測后可采取誤差補償控制方法完成誤差修正，提高電能表計量準確性。基于諧波背景下，電能計量系統(tǒng)誤差修正方法主要有判決反饋修正方法、自適應動態(tài)修正方法、隨機補償修正方法，結合濾波、信號調制方法有效控制計量誤差。

綜上，基于含諧波背景下如何有效提高電能計量的精確性已成為一個關鍵性問題，其直接關系到發(fā)電廠、供電企業(yè)、電力用戶等多方利益。我國主要電能計量裝置可分為感應式、電子式兩種，尤以后者的運用越加廣泛，電能計量精確性相對較高。為有效控制諧波所致的計量誤差，在電子式電能表設置時應配備誤差自動檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)諧波誤差的實時采集與分析，并選用合適的誤差補償控制方法進行誤差修正，切實提高電能表計量精確性，為電力系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展保駕護航。